Материалы 18-й Всероссийской открытой конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса»
Москва, ИКИ РАН, 16–20 ноября 2020 г.

(http://conf.rse.geosmis.ru)

XVIII.E.226

Пульсирующие течения в океане по спутниковым и контактным измерениям

Мельников В.А. (1), Амбросимов А.К. (1), Дианский Н.А. (2), Клювиткин А.А. (1)
(1) Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва, Россия
(2) Государственный океанографический институт им. Н.Н. Зубова, Москва, Россия
На основе измерительной информации, полученной в некоторых акваториях Северной Атлантики, с использованием данных контактных измерений, спутниковых дистанционных зондирований, рассматриваются особенности наблюдаемых в системе океан-атмосфера многомасштабных флуктуаций гидрометеорологических параметров. Конечной целью работы является исследование общих фундаментальных свойств многомасштабных динамических процессов, переноса и трансформации энергии во взаимодействиях атмосфера-море на основе обобщения различных региональных проявлений этих механизмов (Melnikov et al., 2016).
В работе приводятся несколько “case-studies” гидродинамических процессов над хребтом Рейкьянес, в области Субарктического фронта (Амбросимов и др., 2019); над Срединно-Атлантическим хребтом, на акватории Азорского течения (Мельников, 2016); Мельников, 2017); в регионе цепи подводных гор хребта Horse Shoe, в области восточной ветви Азорского течения в Иберийской котловине Северной Атлантики (Мельников, Голенко, 2019); на "Черноморском гидрофизическом полигоне Института океанологии РАН", расположенного вблизи Основного Черноморского течения на траверзе г. Геленджик (Зацепин и др. 2014; Мельников и др., 2017); в Карском море (Архипов и др., 2013). Во всех случаях, для интерпретации процессов использовалась разнообразная информация контактных и спутниковых измерений на автономных буйковых станциях, поплавках АРГОС (Мельников, Никитин, 2020) гидрологических зондирований и разрезов, измерений уровня моря и ветров. Составлены продолжительные ряды метеоэлементов по данным береговых (и на островах) метеостанций в Северной Атлантике, а также вокруг берегов Черного моря, включая многолетний (1935-2020 гг.) ряд наблюдений на метеостанции Геленджика (Мельников и др., 2018).
Рутинная обработка данных измерений включала в себя подготовку массивов данных, расчёт статистических характеристик временных рядов измеренных и производных параметров с использованием гистограмм, прогрессивно-векторных диаграмм, традиционного спектрального анализа Фурье - авто- и взаимных спектров, авто- и взаимных вэйвлет–диаграмм, скользящих спектрограмм. Применялись методы обработки векторной информации с расчётами спектральных инвариантов, вращательных компонент, ЭОФ, годографов, а также оценка частотных составляющих спектров на основе динамико-стохастических моделей (Calman, 1978).
С целью идентификации отдельных процессов выявлены типичные фоновые трёхмерные гидрологические структуры, а также количественно оценены отклонения, связанные с другими составляющими изменчивости, такими как сезонный ход, краевые шельфовые волны, суточные, инерционные колебания, полусуточные и короткопериодные внутренние волны, поверхностные волны. По спектрам выделяются три группы временных масштабов: 1) долговременные, с периодами более трёх лет; 2) годовые (сезонные), а также первый и второй обертоны - полугодовые и третьгодовые; 3) мезомасштабные(от первых суток до нескольких месяцев). При исследовании временных рядов долговременных измерений привлекает внимание повсеместная перемежаемость и пространственная неоднородность наблюдаемых океанографических параметров. Такие же свойства характерны для изменений метеопараметров. Плотность кинетической энергии течений изменяется в широких пределах. Общая изменчивость обусловлена циклическими вариациями и перемежаемостью (“вспышками”) колебаний. Перемежаемость частично связана с изменениями средних (низкочастотных) течений, которые могут приводить к сдвигу частоты циклических составляющих спектра, т.к. по измерениям в фиксированной точке наблюдается доплеровская частота f=f0+U*k, где U - скорость течения, k - волновое число пространственной неоднородности поля. Эти особенности хорошо заметны на вэйвлет-диаграммах кинетической энергии течений.В качестве количественной меры наблюдаемой изменчивости удобно взять сумму дисперсий циклических (квази-периодических) составляющих (включая колебания долговременные, годовые (с обертонами) и мезомасштабные) и дисперсии некоторой случайной ("хаотической") фоновой компоненты. Предполагается, что "хаотические" флуктуации возникают вследствие процесса экспоненциальной релаксации возмущений в гидродинамической системе, выведенной из равновесия в результате множественных случайных внешних воздействий. Спектр такого процесса имеет "красный" вид и может объяснить спадающий по частоте как -2 спектральный фон, который повсеместно наблюдается по измерениям в сплошных средах (Мельников, 2015). На этом фоне спектральные пики и плато указывают на процессы притока энергии в гидродинамическую систему океана. Однако, параметры циклических составляющих спектра также имеют признаки нестационарности по среднему значению, дисперсии и частотам, так что бывает затруднительно их оценить. Максимумы в спектре расплываются и плохо выражены. В дополнение к релаксационному процессу, в "хаотическую" составляющую добавляются разномасштабные (различной амплитуды и продолжительности) "вспышки" колебаний, которые возникают в случайные моменты времени. Такая хаотичность также известна под названием "перемежаемость". Перемежаемость существенным образом сказывается на средних величинах, которые часто ошибочно используют для характеристики нестационарной системы "в среднем".
Причины подобных апериодических "вспышек" кинетической энергии движений внутри океана, разнообразны. Среди них известны воздействия атмосферных процессов (Krauss, 1986), перемещение многомасштабных фронтов в океане (Siedler et al., 1985), а также, в Северной Атлантике, переливы глубинных вод Северного Ледовитого океана через Гренландско-Фарерский "порог", распространение Средиземноморских вод повышенной солёности, сток великих сибирских рек в Арктике и др. (Вязилова и др., 2014; Дианский и др., 2010; Buckley, Marshall, 2016). Имеются также объяснения таких эффектов из теории случайных хаотических систем, для которых сложное нерегулярное поведение является характерным. В таких системах могут возникать сравнительно редкие экстремальные «вспышки» энергии, которые по амплитуде в несколько раз превышают стандартные отклонения от среднего состояния (Farazmand, Themistoklis, 2016).
Работа выполнена в рамках госзадания Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН. Тема № 0149-2019-0004, "Механизмы формирования циркуляционных структур Мирового океана: ключевые процессы в пограничных слоях и их роль в динамике океана на основе экспедиционных исследований, численного и лабораторного моделирования". Авторы благодарны поддержке со стороны РФФИ, проект №18-05-01107 "Исследование океанических механизмов декадной и мультидекадной изменчивости климата в атлантическом секторе Мирового океана", а также поддержке РНФ, проект №17-17-01295 "Исследование десятилетней и междесятилетней изменчивости климата в Северной Атлантике и Арктике".

Ключевые слова: Атлантический океан, Срединно-Атлантический хребет, хребет Рейкьянес, хребет Horse Shoe, Северо-Атлантическое течение, Азорское течение, Основное Черноморское течение, Карское море, перемежаемость, вспышки колебаний океанографических параметров.
Литература:
  1. Амбросимов А.К., Дианский Н.А., Клювиткин А.А., Мельников В.А. Долговременная изменчивость течений в зоне субарктического фронта Атлантического океана// Океанологические исследования. 2019. Том 47. № 2. С. 246–256. DOI: 10.29006/1564-2291.JOR-2019.47(2).15.
  2. Архипов В.В. Мельников В.А., Цвецинский А.С. Особенности разномасштабных гидрофизических процессов в Карском море//Одиннадцатая открытая Всероссийская конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». Москва: ИКИ РАН.11-15 ноября. 2013.
  3. Вязилова А.Е., Алексеев Г.В., Смирнов А.В. Связь термохалинных аномалий в северо-западной Атлантике и Северо-европейском бассейне с колебаниями климата// Проблемы Арктики и Антарктики. № 3 (101). 2014. C. 48 - 61.
  4. Дианский Н.А., Володин Е. Н., Гусев А. В. Воспроизведение современного климата в совместной модели общей циркуляции атмосферы и океана// Известия РАН. Физика атмосферы и океана. Т. 46. № 4. 2010. С. 448-466.
  5. Зацепин А.Г. и др. Подспутниковый полигон для изучения гидрофизических процессов в шельфово-склоновой части Черного моря// Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2014. T.50. №1. C.16-29, http://dx.doi.org/10.7868/S0002351513060163.
  6. Мельников В.А. Особенности разномасштабных вариаций в геофизических сплошных средах// Процессы в геосредах. Москва:ИПМех РАН. Т. 2(3), 2015. С. 49-61.
  7. Мельников В.А. Волновой подъём вод над Срединно-Атлантическим хребтом в районе Азорского фронта// "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса: Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов"., Москва:ИКИ РАН. Т. 13, № 6. 2016. С. 142-152.
  8. Мельников В.А. Бароклинные М2 приливы над Срединно-Атлантическим хребтом// Труды Государ-ственного океанографического института. Исследования океанов и морей. Т. 218. 2017. С. 168-190.
  9. Мельников В.А., Голенко Н.Н. Гидрофизические процессы вблизи подводной горы Ампер// Семнадцатая Всероссийская Открытая конференция "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса (Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов)". Материалы конференции. 2019. С. 321.
  10. Мельников В.А., Пиотух В.Б., Зацепин А.Г. Ветры, течения и энергетический обмен в гидрометеорологической системе на шельфе в северо-восточной части Черного моря//Материалы Первой международной научно-технической конференции по термогидромеханике океана: Современные проблемы термогидромеханики океана «СПТО – 2017»: в 1 т., 192 с., : сб. ст. / [сост.: А.Г. Костяной, С.А. Свиридов]; Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН – Москва:ИО РАН. 2017. С. 114-117. DOI 10.29006/978-5-9901449-3-4-2017-1.
  11. Мельников В.А., Москаленко Л.В., Кузеванова Н.И. Ветровые циклы и климатические тренды Чёрного моря// Труды Государственного океанографического института, Исследования океанов и морей. Москва:ГОИН. Т. 219, 2018. С. 101-123. URL: www.goin.ru, ISBN 978-5-9909833-2-8.
  12. Мельников В.А.,Никитин О.П. Особенности траекторий поверхностных поплавков ARGO(S) при переносе из Северной Атлантики в Карское море// Труды XXVIII Международной конференции “Лазерно-информационные технологии в медицине, биологии, геоэкологии и транспорте – Новороссийск, 2020”. Электронный сборник материалов конференции.
  13. Buckley M. W., Marshall J. Observations, inferences, and mechanisms of Atlantic Meridional Overturning Circulation variability: A review// Rev. Geophys. 54. 2016. P. 1-59.
  14. Calman J. On the interpretation of ocean current spectra. Part II: Testing dynamical hypotheses // J. Phys. Oceanogr. 1978. Vol. 8. № 7. P. 644–652. doi.org/10.1175/1520-0485(1978)008<0644:OTIOOC>2.0.CO;2.
  15. Farazmand M.,Themistoklis P.S. Dynamical indicators for the prediction of bursting phenomena in high-dimensional systems// Physical Review. E 94, 032212. 2016. P. 1-15 . DOI: 10.1103/PhysRevE.94.032212.
  16. Krauss W. The North Atlantic Current// Journal of Geophysical Research. V.91, Issue C4. 1986. P. 5061-5074. https://doi.org/10.1029/JC091iC04p05061.
  17. Melnikov Vasiliy, Lidija Moskalenko, Vladimir Piotoukh, and Andrey Zatsepin. Multiscale wind cycles and current pulses at the Black Sea eastern boundary// Geophysical Research Abstracts, Vienna:EGU General Assembly. 2015. Vol. 17. EGU2015-7184-1.
  18. Melnikov V.A., Zatsepin A.G., Piotoukh V.B. Hydrophysical research using long-term Polygons// International Symposium “70 years of World Ocean Research”. P.P. Shirshov Institute of Oceanology. RAS, Moscow. Russia. September, 12-13. 2016. P. 7.
  19. Siedler G., W. Zenk, and W. J. Emery, Strong Current Events Related to a Subtropical Front in the Northeast Atlantic// J. Phys. Oceanogr. 15. 1985. P. 885–897. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1985)015<0885:SCERTA>2.0.CO;2.

Презентация доклада



Ссылка для цитирования: Мельников В.А., Амбросимов А.К., Дианский Н.А., Клювиткин А.А. Пульсирующие течения в океане по спутниковым и контактным измерениям // Материалы 18-й Всероссийской открытой конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». Москва: ИКИ РАН, 2020. C. 230. DOI 10.21046/18DZZconf-2020a

Дистанционные исследования поверхности океана и ледяных покровов

230